??? 摘? 要: 設(shè)計了一款最大測量范圍為600g,最小測量分度為0.01g,精度達到六萬分之一的高精密電子秤。該電子秤以凌陽16位單片機SPCE061A為核心, Σ-ΔADC為主要稱重" title="稱重">稱重采集部件;采用了硬件電路抗干擾和軟件濾波等技術(shù),以保證整機的精度和穩(wěn)定性;同時該系統(tǒng)還為用戶提供了智能、友好的用戶界面和接口。?

??? 關(guān)鍵詞: SPEC061A; 電子秤; Σ-ΔADC; 抗干擾; 軟件濾波

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??? 電子秤(或電子衡器)是配有電子稱量裝置的衡器,它在商業(yè)銷售中廣泛使用。國內(nèi)從20 世紀60 年代中期開始模擬指針式電子秤的研制和生產(chǎn), 經(jīng)歷了模擬式電子秤、數(shù)字式電子秤和微機式電子秤三個階段。精度從0.1%、0.05%發(fā)展到0.01%。根據(jù)目前市場發(fā)布的產(chǎn)品,電子秤的精度可分為四級,如表1所示。功能上包括各種參數(shù)的設(shè)定、自動處理及毛重、凈重、皮重和累加值的顯示等。為了管理和參數(shù)設(shè)置的方便,還配有與上位計算機的串行通信接口,如RS-232C等。?

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??? 總體來說,電子秤的發(fā)展呈現(xiàn)出小型化、智能化和模塊化的特點。根據(jù)市場需求,筆者以高精度、小型化和智能化為目的,以高性能16位凌陽單片機SPCE061A為核心,研發(fā)了一款最大稱重為600g,最小分度為0.01g,稱重精度為0.001 6%(六萬分之一)的工業(yè)用高精度電子秤。該產(chǎn)品包含當(dāng)前臺式電子秤所有的功能且用戶界面友好。?

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計? ?

??? 電子秤的工作原理是將作用在承載器上的質(zhì)量或力的大小,通過傳感器" title="稱重傳感器">稱重傳感器轉(zhuǎn)換為與之成正比的電信號,并且以模擬或數(shù)字量的形式在稱重儀表上顯示出來。電子秤由稱重傳感器、弱信號放大和濾波、高數(shù)位A/D" title="A/D">A/D轉(zhuǎn)換器、MCU和顯示器組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。?

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??? 本系統(tǒng)采用性能優(yōu)異的電阻應(yīng)變式橋式稱重傳感器,其基本原理為所稱重量引起的電阻變化可產(chǎn)生一個疊加在共模電壓之上的差分電壓。該傳感器的電靈敏度為2mV/V,當(dāng)使用5V激勵電壓時,其滿度輸出電壓為10mV,在60 000分刻度下,每分刻度的輸出電壓為微伏級。因此微弱信號的采集是本系統(tǒng)設(shè)計的第一難點。另一難點則是系統(tǒng)的實時反應(yīng)速度。由于本設(shè)計面向商用,要求系統(tǒng)能夠?qū)ΨQ重物體作出快速反應(yīng),在穩(wěn)定與不穩(wěn)定狀態(tài)間反應(yīng)靈敏,并且判斷準確。最后,作為智能化、便攜式的電子稱重儀器,友好的用戶界面和低功耗設(shè)計也是必需的。?

??? 根據(jù)上述技術(shù)難點的分析和系統(tǒng)指標(biāo)要求,選取凌陽16位單片機SPCE061A為核心控制器件。SPCE061A最高工作頻率可以達到49.512MHz,內(nèi)置2KB靜態(tài)內(nèi)存,32KB Flash,32個通用I/O口。由于采集到的微弱信號極易受到干擾,受干擾的信號必須進行數(shù)字濾波才能使系統(tǒng)性能" title="系統(tǒng)性能">系統(tǒng)性能得到提升。SPCE061A的16位字長和大存儲容量為數(shù)字濾波提供了有力的支持;數(shù)字信號處理速度和系統(tǒng)的快速反應(yīng)依賴于主控制器的工作頻率,SPCE061A單片機49.512MHz的工作頻率能夠很好地滿足要求;32個通用I/O口和各種外設(shè)資源使系統(tǒng)在擴展按鍵、LCD顯示、實時時鐘RTC、存儲器EEPROM和上位機接口上提供了便利。?

??? 根據(jù)指標(biāo)要求,電子秤的稱重計數(shù)分辨率為60 000,要確保外部計數(shù)精度,通常內(nèi)部分辨率必須高于外部分辨率一個數(shù)量級,因此內(nèi)部計數(shù)必須精確到600 000,這需要20bit的ADC才能滿足此要求。系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器選取24位∑-△ADC芯片CS5460A。CS5460A 包含兩個Σ-Δ模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和一個串行接口的高度集成Σ-Δ模-數(shù)轉(zhuǎn)換器,兩個通道都包含可編程增益放大器和片內(nèi)高速濾波器,共模抑制比大于80dB。高位數(shù)和高共模抑制比可保證微弱信號的數(shù)字采集準確。?

??? 系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。與上位機的通信可以根據(jù)需求選配USB接口或RS232接口。?

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??? 在軟件設(shè)計上,系統(tǒng)主要完成用戶功能的響應(yīng)、稱重數(shù)據(jù)的采集與處理、軟件濾波、數(shù)據(jù)校正和稱重顯示等功能。用戶通過按鍵錄入、軟件查詢的方法得到鍵值后,根據(jù)鍵值完成相應(yīng)的功能;為了保證用戶界面的簡捷,采用組合鍵錄入。根據(jù)用戶需求,稱重數(shù)據(jù)可以為毛重、凈重或采樣值。系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。?

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2 硬件抗干擾設(shè)計?

2.1 前置放大和濾波?

??? 稱重傳感器的輸出為微弱的低頻差分信號,其電壓幅度為微伏級。雖然A/D內(nèi)部自帶有50倍增益放大器,但還不足以將信號放大到與A/D參考電壓相匹配的程度,所以必須加一級前置放大器來提高放大倍數(shù)。前置放大采用差分放大輸入,這既提高了輸入阻抗,又能有效抑制共模噪聲。但是如果兩臂的信號出現(xiàn)不平衡,則采集到的數(shù)據(jù)將會產(chǎn)生基線漂移。為此,采用兩路RC低通濾波電路對兩臂信號同時進行濾波,兩臂之間采用共模濾波電容濾波。其原理電路如圖4所示。?

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2.2電源電路抗干擾處理?

??? 由于系統(tǒng)對整機的測量精度要求較高,因此具有抗干擾的電源電路是系統(tǒng)設(shè)計的重點之一。系統(tǒng)通過穩(wěn)壓模塊將各個電源分開,并分離接地,保證來自不同電路的地電流之間沒有交叉耦合,任何一個電路的地電位只受這個電路的地電流和它的地線自身阻抗的影響,各個地最后回流到系統(tǒng)鋪設(shè)的地上。?

3 軟件抗干擾設(shè)計?

3.1 稱重校正?

??? 由于溫差、沖擊力、浮塵等因素的影響, 傳感器承受載荷與其輸出電壓之間并非成線性關(guān)系, 這就造成稱量的線性度" title="線性度">線性度發(fā)生較大的變化;另外由于ADC的線性度不夠理想,使小稱量和大稱量區(qū)間的線性斜率不一樣。這兩種情況都會使稱量線性度發(fā)生變化,造成某些點的稱量誤差較大。采用分段校準稱重值和分段計算稱重值,可大大減小稱重值的相對誤差。?

??? 本系統(tǒng)使用了兩種校正方法:線性校正和單點校正。線性校正取零點A、三分之一量程B、三分之二量程C和滿量程D為基點得到三條線段BA、CB和DC,使得每段的稱量線性度比只有一條線段時要好。單點校正是在線性校正的基礎(chǔ)上作小偏移補償,取零點和系統(tǒng)規(guī)定的量程某一點,假設(shè)穩(wěn)定時的零點值為A,選取量程中的某一點如200g,在放置標(biāo)準砝碼200g時測得的稱重值為m,此時求得比率值為rate=200/m,稱重計算時用此rate值來修正稱量值。?

3.2 軟件濾波?

??? 軟件濾波包含兩部分:數(shù)據(jù)噪聲的濾波及兩種稱重狀態(tài)(穩(wěn)定和不穩(wěn)定)的判斷。因為稱重數(shù)據(jù)在相當(dāng)長的時間內(nèi)是穩(wěn)定不變的,而引起數(shù)據(jù)變化的干擾信號則變化頻繁。軟件濾波的作用就是設(shè)法把兩者區(qū)分開,只取平穩(wěn)的數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)進行顯示。用于電子秤慢變數(shù)據(jù)的濾波方法很多,系統(tǒng)綜合采用了權(quán)值濾波、均值濾波、中值濾波和極值濾波等軟件濾波方法。首先采用極值濾波將系統(tǒng)因為干擾而產(chǎn)生的極點去除,然后用中值濾波法進行平均,在稱重狀態(tài)判斷的過程中使用不同的權(quán)值,對數(shù)據(jù)進行權(quán)值濾波。這樣就得到了最后要顯示的數(shù)據(jù)。?

??? 稱重狀態(tài)判斷要處理三個問題: (1)是否有重量變化;(2)若無重量變化,顯示值保持穩(wěn)定,保證不受噪聲干擾;(3)若有重量變化,系統(tǒng)要及時反應(yīng)并顯示出來。傳統(tǒng)電子秤的處理方法是取一定量的數(shù)據(jù)求均值,規(guī)定一個求均值的次數(shù),當(dāng)次數(shù)到達時,對這些均值再作平均,如果在設(shè)定的范圍內(nèi),則認為是穩(wěn)定的測量值,反之則為不穩(wěn)定測量值,還需要再取更多的數(shù)據(jù)進行相似的處理之后才能知道是否穩(wěn)定。這種方法適用于均值的范圍集中在1/3~2/3最小感量的時候,若最小感量的值降低,則此方法就無法保證稱重值的穩(wěn)定顯示。本系統(tǒng)解決辦法是將測量值轉(zhuǎn)化為實際顯示的稱重值,如果稱重值沒有變化,則認為沒有變化;如果稱重值有變化但沒有超出3/2個最小感量,還是認為稱重值沒有變化;如果超出了,則要進行一系列的比較才能確定是否有新的重量加入。經(jīng)實際測試驗證,此方法有效地避免了稱重顯示值的來回跳動。?

4 系統(tǒng)測試結(jié)果?

4.1 稱重數(shù)據(jù)測試?

??? 本系統(tǒng)性能的提高關(guān)鍵在于采用了硬件抗干擾處理和軟件濾波處理。圖5、圖6、圖7分別描述了未經(jīng)過任何處理、只經(jīng)過硬件處理和同時經(jīng)過硬件與軟件處理的稱重數(shù)據(jù)波形。每幅圖上的粗線代表了數(shù)據(jù)變化的趨勢,即基線。從圖5可看出,未經(jīng)過硬件抗干擾處理的波形基線會漂移;圖6中,經(jīng)過硬件處理后,基線的漂移消失,但局部仍然會有數(shù)據(jù)的波動;圖7中再經(jīng)過軟件濾波處理,數(shù)據(jù)變化更趨平緩,基線基本不變,有利于得到比較穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。?

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4.2 整機性能測試?

??? 表2和表3分別對整機做線性測試和重復(fù)性測試。線性測試的步驟是在零點情況下,每次都是100g向上疊加。從測試結(jié)果看,系統(tǒng)性能符合用戶要求。?

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??? 本文介紹了以高性能16位單片機為控制核心的高精密電子秤的設(shè)計方法。采用硬件抗干擾和軟件濾波等技術(shù)得到了系統(tǒng)性能的提升。測試結(jié)果表明,該產(chǎn)品具有較優(yōu)異的線性度和重復(fù)性,性能指標(biāo)達到了預(yù)期的效果;該產(chǎn)品還具有用戶界面友好、操作簡單等特點。產(chǎn)品性能處于市場領(lǐng)先地位。?

參考文獻?

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